基于結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的組合壓氣機(jī)放氣量計算方法研究

梅 順 盧 進(jìn) 謝龍翔

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實驗室，湖南 株洲 412002）

壓氣機(jī)的進(jìn)口和出口流通截面的面積是根據(jù)設(shè)計狀態(tài)下的工作條件而選定的，因此只有在設(shè)計狀態(tài)時，它們才與流過的空氣密度完全相適應(yīng)；而在非設(shè)計狀態(tài)時，它們與變化了的空氣密度就不相適應(yīng)了。當(dāng)壓氣機(jī)在中、低轉(zhuǎn)速下工作時，由于各級增壓不足使得某些級的工作狀態(tài)與最佳的設(shè)計狀態(tài)產(chǎn)生了偏離。進(jìn)口級的攻角加大使氣流在葉片通道中容易產(chǎn)生分離，導(dǎo)致級性能的下降；出口級的攻角減小，嚴(yán)重時可能產(chǎn)生負(fù)值，級壓縮能力降低，級性能下降。進(jìn)口級與出口級的性能變化導(dǎo)致兩者不匹配，使組合壓氣機(jī)處于失速或喘振的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，并加大葉片的振動應(yīng)力[1]。

因此，為了改善壓氣機(jī)在中、低轉(zhuǎn)速時的工作性能，廣泛地采用了一些調(diào)節(jié)裝置。按其結(jié)構(gòu)形式，可分為放氣機(jī)構(gòu)、壓氣機(jī)進(jìn)口可變彎度導(dǎo)流葉片或可轉(zhuǎn)導(dǎo)流葉片、可轉(zhuǎn)整流葉片、雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)和機(jī)匣處理等。其中，放氣是最簡單有效的擴(kuò)穩(wěn)方法[2-4]。

目前的組合壓氣機(jī)為了增加在中、低轉(zhuǎn)速時的穩(wěn)定裕度一般都帶有放氣腔結(jié)構(gòu)。對于不同的組合壓氣機(jī)而言，放氣腔結(jié)構(gòu)布局基本相似，均由壓氣機(jī)軸流機(jī)匣、離心葉輪外罩等組合形成的空腔構(gòu)成如圖1。

圖1 典型組合壓氣機(jī)放氣腔結(jié)構(gòu)原理圖

本文擬根據(jù)不同放氣腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對放氣量影響大小的研究總結(jié)出對于給定放氣量的放氣腔的設(shè)計方法，并研究不同放氣量對組合壓氣機(jī)性能的影響。

1.計算對象

1.1 放氣腔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對放氣量影響

梅順等人[5]根據(jù)放氣腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)了可能影響放氣腔放氣量大小的幾個特征參數(shù)：放氣腔進(jìn)口面積Ain、放氣腔出口面積Aout、放氣腔進(jìn)口角度θ、放氣腔進(jìn)口開槽形式、放氣腔容積V（圖2 所示）。最后通過CFD 計算整個壓氣機(jī)帶放氣結(jié)構(gòu)得到對放氣量影響的特征參數(shù)主要有3 個，由大到小分別為：Aout、Ain、θ。并建議當(dāng)需要調(diào)節(jié)壓氣機(jī)放氣量時，首先考慮調(diào)節(jié)放氣腔的出口面積Aout。

圖2 放氣腔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)示意圖

1.2 放氣腔內(nèi)部流動機(jī)理分析

圖3 ～7 是組合壓氣機(jī)相對折合轉(zhuǎn)速為0.85 時工作點(diǎn)位置的流場圖。

氣流經(jīng)放氣腔進(jìn)口進(jìn)入放氣腔腔室內(nèi)時，總溫保持不變（圖6），總壓大幅減小（圖4），靜壓減小（圖5），氣流馬赫數(shù)也減小（圖7）；

在放氣腔腔室內(nèi)，氣流做漩渦流動（圖3），總溫保持不變（圖6），總壓和靜壓均勻分布（圖4 ～5），氣流馬赫數(shù)在腔室內(nèi)也基本一致（圖7）；

圖3 放氣腔內(nèi)部三維流線分布

氣流由腔室經(jīng)放氣腔出口排入大氣時，氣流總壓基本不變（圖4），靜壓減小（圖5），總溫不變（圖6），氣流馬赫數(shù)急劇增加（圖7），這一過程可以視為等熵膨脹過程。

圖4 放氣腔內(nèi)部總壓分布

圖5 放氣腔內(nèi)部靜壓分布

圖6 放氣腔內(nèi)部總溫分布

圖7 放氣腔內(nèi)部馬赫數(shù)分布

對比多型壓氣機(jī)放氣腔特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)放氣腔進(jìn)口面積均比放氣腔出口面積要大，因此，放氣腔決定放氣量的關(guān)鍵參數(shù)是放氣腔出口面積，放氣腔進(jìn)口只要保證比出口面積大即可，而放氣腔腔室大小只要保證使氣流壓力分布均勻即可。

2.計算方法研究

根據(jù)質(zhì)量守恒方程，流過放氣腔內(nèi)部任一截面的流量相等，且滿足：

將放氣腔進(jìn)口面取為截面1，出口面取為截面3，腔室內(nèi)參數(shù)下標(biāo)均用2 表示，如圖8 所示。

圖8 組合壓氣機(jī)放氣原理圖

因此，組合壓氣機(jī)放氣腔參數(shù)設(shè)計可以按以下步驟來完成：

1)先對不放氣時組合壓氣機(jī)做計算，得到軸流和離心之間中間輪緣區(qū)域的總溫、總壓分布；取這段位置總溫總壓的平均值作為放氣腔進(jìn)口的總溫、總壓，這樣便得到了；

2)根據(jù)原始結(jié)構(gòu)的放氣腔，得到大概的放氣腔的總壓損失系數(shù)，這樣便得到了；

3)在結(jié)構(gòu)上，一般越小的放氣出口占用的軸流機(jī)匣位置空間越小越利于放氣腔出口的布置，因此，本文采取的設(shè)計是在滿足所需放氣量的情況下放氣腔出口（即限流口）的面積最小。顯然，在出口處氣流達(dá)到聲速時對于給定流量所需通道面積最小，故此時可知

4)根據(jù)給定的放氣量即可得到放氣腔出口面積

5)根據(jù)多個壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對比，放氣腔進(jìn)口面積設(shè)計時保證比出口面積大1.2 ～1.5 倍左右；

6)放氣腔的腔室基本由軸流機(jī)匣和葉輪外罩外形決定，盡量大即可；

7)進(jìn)行帶放氣腔結(jié)構(gòu)的三維計算校核。根據(jù)三維計算結(jié)果與設(shè)計要求相差的大小可以按照1.1 得到的放氣腔的特征參數(shù)對放氣量影響大小的分析，調(diào)節(jié)放氣腔的特征參數(shù)使其貼近設(shè)計所需的放氣量。

3.不同放氣量對組合壓氣機(jī)總體性能的影響

圖9 和圖10 是不同放氣量下組合壓氣機(jī)的性能曲線圖。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著放氣量的增加，該組合壓氣機(jī)出口處堵點(diǎn)流量是逐漸減小的，因此壓氣機(jī)特性線向左移動；由于計算壓氣機(jī)整機(jī)效率時是認(rèn)為放出的氣體帶走的能量是直接浪費(fèi)掉的，因此放氣量越大，浪費(fèi)的能量越多，壓氣機(jī)的峰值效率點(diǎn)隨著放氣量的增加是逐漸向下移動的；放氣相比于不放氣，壓氣機(jī)在該轉(zhuǎn)速下能達(dá)到的最大總壓比都有所提升，壓氣機(jī)的總壓比隨著放氣量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在計算范圍內(nèi)，15%放氣量處能達(dá)到最大的總壓比。

圖9 不同放氣量下組合壓氣機(jī)流量-效率特性線

圖10 不同放氣量下組合壓氣機(jī)流量-壓比特性線

表1 統(tǒng)計了不同放氣量下組合壓氣機(jī)的流量裕度和喘振裕度變化量，其中喘振裕度變化量均是相對于不放氣作比較。由表1 可知，隨著放氣量的增加，組合壓氣機(jī)放氣時相比于不放氣時的喘振裕度變化量呈逐漸增大的趨勢，即組合壓氣機(jī)的喘振裕度不斷增大，但在5%放氣量時喘振裕度變化量為負(fù)值，即放5%的氣不但沒有增加組合壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，還使組合壓氣機(jī)裕度減小了。

表1 不同放氣量下壓氣機(jī)裕度統(tǒng)計

4.結(jié)論

本文對放氣腔內(nèi)部流動機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)出了放氣腔放氣量計算方法為根據(jù)質(zhì)量守恒的一維計算并結(jié)合三維帶放氣腔計算進(jìn)行修正。三維計算修正主要根據(jù)放氣腔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對放氣量影響大小來進(jìn)行調(diào)整。同時本文還對比了不同放氣量對組合壓氣機(jī)總體性能影響分析，結(jié)果表明在相對折合轉(zhuǎn)速為0.85 時，該組合壓氣機(jī)隨著放氣量的增加，峰值效率點(diǎn)逐漸降低，能達(dá)到的總壓比逐漸提升；放氣相比不放氣，放氣并不一定會增加組合壓氣機(jī)的喘振裕度，在5%放氣量時組合壓氣機(jī)喘振裕度變化率為負(fù)值，即組合壓氣機(jī)的喘振裕度反而減小了；隨著放氣量的增加，組合壓氣機(jī)喘振裕度也逐步增加，在20%放氣量時達(dá)到最大。